2015-2019年长三角地区高空“干”过程大气水汽含量时空分布特征及天气分型

高溪远

(南京信息工程大学，中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京 210044)

0 引言

在全球变暖背景下长三角地区的气候发生了明显变化，极端异常气候事件发生频数增加[1]。近几年，长三角地区干旱灾害频发，对人们的生活和社会经济发展造成了巨大影响。高空相对湿度较低，水汽量较少，是干旱形成的重要原因之一[2]。而大气中水汽的分布结构和时空变化特征决定着干旱事件的发生，故而了解长三角地区在高空水汽极少情况下其水汽含量的时空分布特点和天气形势的变化情况对长三角地区干旱灾害的发生和极端事件的相关研究有一定的参考价值，对长三角地区经济建设发展及可持续发展起到了积极的作用。

垂直探空观测中出现的对流层中下层相对湿度较低、大气异常偏干的现象不是个别现象，具有相当的普遍性[3]。在1992年11月-1993年2月热带海洋全球大气耦合响应试验(TOGA COARE)加强观测期间(IOP)，研究学者就发现了在赤道西太平洋海域上空对流层中下部频繁出现空气极度干燥、相对湿度极低的现象[4]。高空“干”过程还对温室效应[5]、对流活动[6]、大气辐射[7]及云的发展[8]有着重要影响。我国对于高空“干”过程的系统分析较少。张宇对新巴尔虎左旗国家级气象站观测到的低湿观测结果进行分析发现，低湿观测值的出现与冷空气活动相关[9]。唐南军等人认为，我国对流层中下层出现偏干情况并非异常现象，在中国西南和东部沿海地区出现的概率约为20%～40%，且具有明显的季节变化特征[10]。目前，国内研究学者对高空“干”过程处于初步分析阶段，对其高空水汽含量时空分布特征没有进行详细描述，对高空“干”过程中的天气分型研究较少。

针对以上不足，选取ERA5资料和MICAPS资料，对2015-2019年我国长三角地区高空“干”过程发生时的大气水汽含量基本特征进行分析，利用主观天气分型方法应用天气学原理对高空“干”过程的天气形势进行分类和统计，探究不同天气形势下气流输送对此过程发生发展的影响，为长三角地区干旱研究、预防旱涝灾害提供理论依据，对天气演变机制相关研究有一定的参考价值。

1 资料与方法

基于ECMWF提供的空间分辨率0.25°×0.25°、时间分辨率为1 h的ERA5 资料，选取我国范围内2015-2019年800～300 hPa气压层比湿数据，计算大气水汽含量。采用2015-2019年逐日08、20时的MICAPS气象信息综合分析处理系统的高空填图数据，对700 hPa高度上影响长三角地区的天气形势进行归类分析。

大气水汽含量表示假设整个空气柱中的水汽凝结时所能得到的液态水汽量[11]，公式为：

(1)

式中：W为单位面积上整层大气的总水汽含量，q为比湿，g为重力加速度，Px和P分别为底层气压和顶层气压，单位为mm。

2 2015-2019年长三角地区高空“干”过程基本特征

据国家气象中心下发的《中尺度天气图分析技术规范》对高空干区的定义，将发生在1 000～400 hPa、气层相对湿度<20%、持续48 h以上的低湿过程定义为高空“干”过程，这一标准与前人的定义一致[12]。

统计长三角地区2015-2019年高空“干”过程的发生情况(结果如表1所示)，可以看出5年间高空“干”过程的发生次数分别为6、13、13、13、11次，没有显示一致的变化趋势，发生次数也波动变化，即高空“干”过程不具备明显的年际变化特征。高空“干”过程具有明显的季节变化特征，根据表格可以看出长三角地区2015-2019年夏季6、7、8月份没有发生高空“干”过程，春、秋、冬三季高空“干”过程发生频率较为相近，每季分别发生了共计17、19、20次。高空“干”过程在春、秋、冬三季的生命周期分别为70.5 h/次(约为3 d/次)、117.6 h/次(约为5 d/次)、99.6 h/次(约为4 d/次)，其中秋季高空“干”过程生命周期持续时间最久。

表1 长三角地区2015-2019年高空“干”过程发生次数Tab.1 Frequencies of upper-air “dry” process in Yangtze River Delta from 2015 to 2019

3 2015-2019年长三角地区的高空“干”过程大气水汽含量时空分布特征

研究表明，我国空中大气水汽含量的时空分布具有明显的季节变化特征[13]。根据ERA5数据，对2015-2019年长三角地区不同季节和发生高空“干”过程时的平均大气水汽含量分别进行了计算，其中由于夏季未发生高空“干”过程，不再对其进行分析。

3.1 春季高空“干”过程大气水汽含量分布特征

图1所示为春季3-5月800～300 hPa大气水汽含量分布。由图1(a)可知，2015-2019年春季平均大气水汽含量明显高于“干”过程大气水汽含量，长三角地区北端水汽含量约为5 mm左右，整体水汽分布从北至南梯状递增，在32°N附近已经增加至20 mm以上，安徽南部和浙江省的水汽含量均在25～30 mm，高值区位于长三角地区西南方向。由图1(b)可以看出，高空“干”过程发生时大气中水汽含量极小，接近0值，与季节平均水汽含量相差较大，其分布特征与季节平均分布特征有所不同，干区域呈西北-东南走向分布，西南方向水汽略高于东北地区，西南地区水汽含量约为6 mm左右。

(a)季节平均 (b)高空“干”过程期间图1 春季长三角地区800～300 hPa大气水汽含量分布Fig.1 Distribution of 800～300 hPa atmospheric moisture content in spring in Yangtze River Delta

3.2 秋季高空“干”过程大气水汽含量分布特征

图2所示为秋季9-11月800～300 hPa大气水汽含量分布。由图2(a)可知，2015-2019年秋季平均大气水汽含量分布特征与春季相同，为从北至南梯状递增趋势，但水汽含量与春季相比明显较少，长三角地区北端水汽含量约为3 mm左右，在32°N附近增加至5 mm左右，安徽南部和浙江省的水汽含量均在8～10 mm，高值区位于长三角地区东南方向，最大值约为12 mm。由图2(b)可以看到，秋季高空“干”过程发生时大气水汽含量高于春季，且与季节平均的差值也小于春季，长三角大部分地区水汽含量在5 mm左右，浙江南部地区略有升高至8～10 mm，分布特征与春季类似，长三角西侧和南侧水汽含量较高。

(a)季节平均 (b)高空“干”过程期间图2 秋季长三角地区800～300 hPa平均大气水汽含量分布Fig.2 Distribution of 800～300 hPa average atmospheric moisture content in autumn in Yangtze River Delta

3.3 冬季高空“干”过程大气水汽含量分布特征

图3所示为冬季12-次年2月800～300 hPa大气水汽含量分布。由图3(a)可知，2015-2019年冬季平均大气水汽含量少于春季和秋季，其分布特征不同于前两个季节，冬季水汽含量由东北向西南方向递增，由2 mm逐渐增加至最大值10 mm附近。这是由于冬季长三角地区盛行西北风，干冷的西北气流流过长三角地区使得水汽含量减少，但由于西南地区靠近海域，水汽含量较多，西南气流对长三角地区的影响东北部较强，西南部较弱，所以水汽呈如图所示的向西南方向逐渐增加趋势。由图3(b)可知，冬季高空“干”过程的水汽含量约为2～4 mm，高空处于水汽量极小的地势状态，与春季水汽含量相似，均小于秋季，分布特征与前两季相同，长三角地区西南侧水汽含量相对高于东北区域，约为5 mm。

(a)季节平均(b)高空“干”过程期间图3 冬季长三角地区800～300 hPa平均大气水汽含量分布Fig.3 Distribution of 800～300 hPa average atmospheric moisture content in winter in Yangtze River Delta

4 2015-2019年长三角地区的高空“干”过程天气分型

天气形势是天气现象和过程发生、维持、演变的背景条件，往往决定着区域上空水汽输送基本特征和水汽分布情况。根据2015-2019年长三角地区高空“干”过程期间逐日08、20时700 hPa高度天气图，采用主观天气分型方法，根据天气学原理，将52次(其中有5次过程数据缺测)高空“干”过程期间的天气类型进行归类，概括出每个“干”过程演变过程中的主要天气类型，共计5种，分别为受低槽东移影响天气形势，为低槽型；受高脊东移影响天气形势，为高脊型；受低压影响天气形势，为低压型；受高压影响天气形势，为高压型；没有较强且明显的天气系统存在，基本处于均压场状态，为均压场型。5种天气过程的出现次数和频率见表2。

表2 2015-2019年长三角地区52次高空“干”过程的天气类型Tab.2 Weather types of 52 times of upper-air“dry” process in Yangtze River Delta from 2015 to 2019

可以看出，高脊型和低槽型出现的次数最多，合计占比为67.3%，均压型和高压型出现次数相近分别为7次和6次，低压型出现频次最少，频率仅为7.7%。

4.1 低槽型

此次高空“干”过程长三角地区主要受低槽东移的影响。由图4(a)可以看出，5月20时，长三角位于低槽上，图4(b)6日08时槽向东北方向移动，长三角地区基本位于低槽后部。低槽天气形势下，气压分布为内侧低、外侧高，气流沿逆时针向槽内输送，槽内空气辐合上升，槽外空气辐散下沉，长三角地区在低槽影响过程中气压略有降低，整体为干冷的西北气流输送，高空“干”过程由于西北干气流的下沉输送至长三角地区而不断发生发展。在低槽东移的天气形势下，长三角地区处于低槽外围，西北干冷气流不断输送使得“干”区域向东南方向移动。

(a)2016年12月5日20时 (b)6日08时图4 700 hPa低槽型天气图Fig.4 700 hPa low trough weather

4.2 高脊型

此次高空“干”过程长三角地区主要受高脊东移过境的影响。图5(a)可以看到，8日08时珠三角地区存在一个高压中心，向西北方向延伸出高压脊，此时长三角地区位于高脊前部，图5(b)高压逐渐东移减弱，长三角地区受高压脊控制，为西北气流输送。高脊天气形势下多为晴好天气，脊内为明显的下沉气流，气流在下沉过程中随高度的降低温度不断升高，水汽不断蒸发，饱和水气压也逐渐增加，使得气块相对湿度随之降低，使得高空干冷空气下沉至长三角地区促使“干”过程的发生。

(a)2016年2月8日08时 (b)9日08时图5 700 hPa高脊型天气图Fig.5 700 hPa high ridge weather

4.3 低压型

此次高空“干”过程长三角地区始终处于低压后部。由图6(a)可以看到，5日08时，长三角地区东侧海域上存在一个台风系统，中部地区及广西南部均有高压存在，此时长三角地区处于台风系统低压后部。台风始终没有登陆，沿大陆边缘向北移动。由图6(b)可见，长三角地区仍处于低压后部，台风外围位置。低压天气形势下，中心位置有上升的气流，台风过程发生时中心有极强的对流，中心气流剧烈上升，外围地区空气做下沉运动。低压外围空气呈逆时针方向辐合，长三角地区位于低压后部，受下沉的西北气流影响，干而冷的空气输送至长三角地区，使得湿度降低至20%以下，“干”过程发生。

(a)2018年10月5日08时 (b)6日08时图6 700 hPa低压型天气图Fig.6 700 hPa low-pressure weather

4.4 高压型

此次高空“干”过程长三角地区受高压东移的影响。由图7(a)可以看到，2日20时，长三角地区位于高压中心东南方向，处于高压控制下。图7(b)可以看到，3日08时，高压东移减弱至海上，长三角地区处于高压控制下的均压场天气形势下。高压天气形势下，大气层结稳定，中心位置为下沉气流，高压周围气流呈顺时针向外辐散，长三角高空呈现干空气下沉，低层水汽向外辐散使相对湿度保持低于20%的状态。

(a)2015年11月2日20时 (b)3日08时图7 700 hPa低压型天气图Fig.7 700 hPa low-pressure weather

4.5 均压场型

图8为2015年2月9日08时700 hPa高度高压型天气形势图，可以看到此次高空“干”过程长三角地区没有明显的天气系统出现，我国西南部有弱槽弱脊出现，但并未影响到长三角地区，等压线与我国东北部地区相比较为稀疏，风速较小，即大气层结处于极其稳定的状态。

图8 700 hPa均压场型天气图2015年2月9日08时Fig.8 700 hPa voltage-sharing weather at 8 o’clock, February 9, 2015

5 结论

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5再分析资料，分析了2015-2019年长三角地区高空“干”过程发生频率、生命周期的季节变化特征，根据其不同季节高空“干”过程发生时的大气水汽含量，分析其时空分布特征，根据MICAPS资料对高空“干”过程期间的天气形势进行分类，分析不同天气形势下高空“干”过程的气流输送情况，探究此过程发生的原因。结果表明，长三角地区2015-2019年共发生高空“干”过程57次，其中2015年发生次数最少，发生频率为0.5次/月，2017、2018、2019年的发生次数相同且最多，发生频率均为1.08次/月，高空“干”过程不具备明显的年际变化特征。高空“干”过程具有明显的季节变化特征，长三角地区2015-2019年春、秋、冬三季均发生了“干”过程，且发生频率相近，其平均持续时间分别为70.5 h/次(约为3 d/次)、117.6 h/次(约为5 d/次)、99.6 h/次(约为4 d/次)，5年内，夏季6、7、8月份均没有出现高空“干”过程。2015-2019年长三角地区800～300 hPa高空“干”过程大气水汽含量均小于季平均水汽含量，其中秋季高空“干”过程水汽含量在三季中最高，约为在5 mm左右，春、冬季水汽含量接近0值，其水汽含量分布均从东北向西南方向递增。将2015-2019年长三角地区52次高空“干”过程的天气类型进行归类，概括为5种主要的天气类型，分别为低槽型、高脊型、低压型、高压型和均压场型，其中高脊型和低槽型出现的次数最多，合计占比为67.3%。